纤维素酶

西安工程大学

纤维素酶对纤维素的作用机理及其

在纺织上的应用

院系：纺织与材料学院

专业班级：轻化工程11（1）

姓名：赵华

学号：41101030111

纤维素酶对纤维素的作用机理及其在纺织上的应用

张海生,张同亮,陈德兆

摘要:介绍了纤维素酶的性质、纤维素酶对纤维素的作用机理及纤维素酶在纺织上的应用,对其在纺织上的应用前景进行了展望。

关键词:纤维素酶;纤维素;纺织;应用

0引言

纤维素是世界上蕴藏量最丰富的天然高分子化合物,绝大多数由绿色植物通过光合作用合成。微生物对纤维素的降解、转化是自然界中碳素转化的主要环节。纤维素酶是降解纤维素生成葡萄糖的多组分酶的总称。目前,纤维素酶产品广泛应用于纺织、饲料、酿造、制药、造纸等行业,尤其是在纺织行业的应用范围目前正在不断扩大。

早在1906年,Seilliere就在蜗牛的消化液中发现了能分解纤维素的纤维素酶。纤维素酶是能水解纤维素β-1,4-葡萄糖苷键,使纤维素变成纤维二糖和葡萄糖的一组酶的总称,它不是单一酶,而是起协同作用的多组分酶系。

纤维素酶的来源非常广泛,昆虫、软体动物、原生动物、细菌、放线菌和真菌等都能产生纤维素酶。主要的有:康氏木霉、里氏木霉、黑曲霉、斜卧青霉、芽孢杆菌等。丝状真菌产生的纤维素酶一般在酸性或中性偏酸性条件下水解纤维素底物,耐嗜碱细菌产生的纤维素酶在碱性范围起作用。

纤维素酶分子是由球状的催化结构域(CD)通过一个富含脯氨酸或羟基氨基酸的连接桥(Linker)和纤维素结合结构域(CBD)三部分组成。连接桥的作用可能是保持CD和CBD之间的距离。纤维素结合结构域执行着调节酶对可溶和非可溶性底物专一性活力的作用,对酶的催化活力是非常必需的。催化作用域的三维结构极其复杂,对酶的催化活力起决定作用。

1 纤维素酶的制造方法

1. 1固体发酵法

固体发酵法是以玉米、稻草等植物秸杆为主要原料，投资少，工艺简单，产品价格低廉。目前国内绝大部分厂家采用该技术，主要分布在上海、江苏、湖北、黑龙江。然而固体发酵法存在着根本上的缺陷，不可能像液体发酵那样随着规模的扩大，成本大幅度下降。以秸杆为原料的固体发酵法生产的纤维素酶很难提取、精制。目前生产厂家只能采用直接干燥粉碎得到固体酶制剂或用水浸泡后压滤得到液体酶制剂，产品外观粗糙，成品质量不稳定，杂质含量高。因此，随着液体发酵酶工艺的发展及菌种性能的提高，采用液体发酵法生产纤维素酶是必然趋势。

1. 2液体发酵酶

液体发酵生产工艺过程是将玉米秸杆粉碎至20目以下后进行灭菌处理，送发酵釜内发酵，同时加入纤维素酶菌种，发酵时间约为70 h ,温度控制低于60 0C，采用净化后的无菌空气从釜底通入进行物料的气流搅拌，发酵完的物料经压滤机压滤，超滤浓缩，喷雾干燥，制得纤维素酶产品。其工艺流程示意图如下:

液体发酵法动力消耗大，设备要求高，但原料利用率高，生产条件易控制，产量高，劳动强度小，产品质量稳定，建议国内新建装置采用该技术。

2纤维素酶维素的对纤作用机理

目前,一种理论认为:纤维素酶水解纤维素是β-1,4-内切葡聚糖(纤维二糖水解)酶

(EG,Endo-β-Glucanase),β-1,4-外切葡聚糖(纤维二糖水解)酶(CBH,Cellobiohydrolase)和β-葡萄糖苷酶(BG,β-Glucosidase)协同作用下进行的。首先,EG酶随机水解切断无定型区的纤维素分子链,使结晶纤维素出现更多的纤维素分子基端,为CBH酶水解纤维素创造条件,CBH酶的水解产物纤维二糖则由BG酶水解成葡萄糖,因而纤维素酶水解纤维素的过程可以简单表示为:EG→CBH→BG。

目前的研究表明,EG酶实际上至少包括EGⅠ、EGⅡ、EGⅢ和EGV四种,CBH至少包括CBHⅠ和CBHⅡ两种。

另外一种理论认为:纤维素酶是由葡聚糖内切酶(Cx酶)、葡聚糖外切酶(C1酶)、β-葡萄糖苷酶三个主要成分所组成的诱导型复合酶系。其中C1酶起水化作用,它作用于不溶性的固体表面,使形成结晶结构的纤维素链开裂,长链分子的末端部分游离,从而使纤维素链易于水化。Cx酶随机水解非结晶纤维素、可溶性纤维素衍生物和葡萄糖的β-1,4-寡聚物,葡萄糖苷酶将纤维二糖和纤维三糖水解成葡萄糖。该假说的基本降解模式如下:

结晶纤维素-C1→无定形纤维素-Cx→纤维二糖-β-葡萄糖苷酶→葡萄糖

此外,Coughlan认为结晶纤维素的降解是一个多步骤过程,并认为原初反应即无序反映(Amorphogenesis)使纤维素的结晶状态发生改变,便于随后的纤维素水解。还有学者认为纤维素的降解中存在短纤维形成现象,他们认为天然纤维素首先在一种非水解性质的解链因子或解氢键酶作用下,使纤维素链内或链间的氢键打开,从而形成短纤维。

3纤维素酶在纺织上的应用

纤维素酶在染整上,特别是在棉织物整理上得到了广泛的应用。经过纤维素酶整理后,棉织物的手感和外观获得很大的改善,因为织物表面的绒毛被除去,处理后织物更光洁,颜色更鲜艳。根据处理的目的不同,可进行生化抛光、柔软滑爽、改善光泽以及石磨水洗等加工。

3.1减量处理

纤维素纤维织物经纤维素酶处理都伴随着纤维的减量或失重,并引起许多性能变化。减量处理主要是改善织物的柔软、弹性和悬垂性。减量加工大多数采用液体染色机和水洗机。若织物被减量过大,纤维的强度会受到损伤。棉织物的失重率一般控制在3%～5%的范围内为好。

棉织物经过纤维素酶整理后,手感和外观可以有很大的改善,织物的硬挺度和刚性降低,光滑度和悬垂性提高,能使织物获得更好的手感。LeeG.Snyder的研究证实,纤维素酶能够象烧毛一样使织物的外观变得光洁。C.L.Chong等人的研究表明在织物的外感和手感被改善的同时,剧烈的机械搅拌和摩擦作用会加剧织物的强力损失。因此在保证处理效果的同时,避免织物强力过度损失就显得非常重要。

3.2生物抛光处理

生物抛光是一种用纤维素酶改善棉织物表面,以达到持久的抗起毛起球并增加织物的光洁度和柔软度的整理工艺。天然纤维素的结构复杂,结晶度高,在一定酶浓度和时间条件下很难把纤维素完全水解成葡萄糖单体,仅对织物表面或伸出织物表面的茸毛状短小纤维作用。生物抛光也就是去除从纤维表面伸出的细微纤维,经纤维素酶处理后稍经机械加工就可以得到表面平滑而茸毛少的织物。生物抛光的主要功效是使服装和面料长久保持光鲜、手感更柔软。与传统的加工方法比,生物抛光有如下优点:①织物表面更光洁无茸毛;②织物表面显得更加均匀;③减少起毛起球的趋向;④增加悬垂性并具滑爽手感;⑤处理的织物更具有环保意义。经过生物抛光处理的织物还有诸多优点:穿着洗涤不易起球,染色鲜艳,保色保新时间长,尤其对印花织物效果更好。

3.3水洗和石磨处理

纤维素酶还广泛应用于牛仔裤类产品的洗涤加工,代替石洗加工工艺。最早应用于靛蓝牛仔服装的洗涤整理上,以获得与石磨相同的染料脱色、洗白等褪色防旧效果。这种加工的